KR20230164395A - 전자파 차폐 및 방열 성능을 갖는 cfrp 하우징용 패널 - Google Patents

전자파 차폐 및 방열 성능을 갖는 cfrp 하우징용 패널 Download PDF

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KR20230164395A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 CFRP 하우징용 패널은 열가소성 플라스틱 수지를 포함하는 매트릭스 수지 및 전도성 필러로 구성되어, 방열에 충분한 열전도성과 전자파 차폐 성능을 동시에 발현하며, 자동차 전장장비의 하우징용 패널로 사용되기에 충분한 기계적, 열적 강도를 가져, 차체 경량화 소재로 사용될 수 있다.

Description

전자파 차폐 및 방열 성능을 갖는 CFRP 하우징용 패널{PANEL FOR CFRP HOUSING WITH ELECTROMAGNETIC WAVE SHIELDING AND HEAT DISSIPATION PERFORMANCE}
본 발명은 전자파 차폐 성능을 갖는 복합재료성형품에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열가소성 플라스틱 및 탄소섬유 기반의 전도성 필러를 포함하는 하우징용 CFRP 패널에 관한 발명이다.
종래, 통신기술의 발달로 스마트폰을 비롯한 모바일 제품 시장이 급속히 성장하고 있고, 이에 각종 전자부품의 소형화, 경량화 및 고성능화 등의 기술이 발전되고 있다.
이러한 전자부품의 안정성과 신뢰성을 결정하는 가장 큰 요소 중 하나가 전자파 간섭(Electromagnetic interference)이다. 이와 같은 전자파 간섭에 의해 방사 또는 전도되는 전자파가 다른 기기의 기능에 장애를 주고 있으며 또한 전자회로의 기능을 약화시키고 동작을 불량하게 하는 문제를 일으킨다.
더욱이, 최근 지구온난화에 기인한 급격한 기후변화로 인해 환경문제가 주요 이슈로 대두되고 있으며, 세계 각국의 자동차 연비 규제와 CO2 배출량 규제가 점점 엄격해지고 있고 이에 대응하여 자동차 업계에서는 하이브리드 자동차, 전기차, 수소연료전지차 개발 및 차체 경량화를 위한 기술을 개발하고 있다.
이와 같은 기술 개발에 따라, 자율주행 자동차 등이 도입되어 차량의 전장 기술이 고도화되어 사용 전압과 전류량이 높은 모듈들과 다양한 센서 및 통신장치 들과 같은 전자회로가 차량에 탑재되는 경우가 늘어나고 있다. 또한, 최근 개발에 탄력이 붙은 수소연료전지 자동차의 파워트레인은 수소를 전기로 변환하는 연료전지, 발생된 전기를 저장하거나 회생제동 시 발생하는 전기를 저장하는 배터리, 회전력을 발생시키는 모터, 모터의 회전수를 제어하는 인버터 등으로 구성되어 있는데 이런 전장 부품들은 작동 시 많은 열을 발생시키고 전자파로 인한 노이즈를 많이 발생시킨다. 이렇게 발생한 전자파는 부품의 오작동 및 성능 저하에 기인한 안전사고를 발생시킬 수 있다.
이와 같은 전자파 간섭 문제와 발열 문제를 해결하기 위하여 높은 전도성과 방열 성능을 가지는 하우징 소재를 사용하게 된다. 전장 박스제품의 하우징은 전도성이 높을수록 전자파 차폐 효율이 증가하므로 전도성이 높은 메탈 재료를 사용하지만, 현재 전도성이 우수한 메탈 소재는 가공성이 나쁘고 무거워 차량의 중량이 증가하여 연비를 떨어뜨리는 문제가 있다.
상술한 문제를 해결하기 위하여 차체 경량화와 자동차 전장 부품의 전자파 차폐(Electromagnetic interference shielding)를 위해 전자파 차폐 성능을 갖는 엔지니어링 플라스틱 및 복합재료의 도입이 요구되고 있다.
한국공개특허공보 제10-2021-0110026호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다양한 전자회로 및 전장에서 발생되는 전자파 간섭과 방열 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 탄소섬유를 비롯한 전도성 필러가 함유된 우수한 방열 및 전자파 차폐 성능을 갖는 CFRP 하우징용 패널을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전자파 차폐 성능과 방열 성능을 가지면서도 동시에 기계적 물성이 우수한 CFRP 하우징용 패널을 제공하는 것에 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 자동차 전장부품용 CFRP 하우징 패널, 보다 자세하게 고전압 정션 블록에 사용되는 전자파 차폐 성능이 우수한 패널을 제공하는 것에 다른 목적이 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.
상기 목적은, 열가소성 플라스틱 수지를 포함하는 매트릭스 수지 및 전도성 필러를 포함하는 CFRP 하우징용 패널에 의해 달성된다.
바람직하게는, 전도성 필러는 CNT, 카본블랙, 실버 나노와이어 및 그래핀 중에서 선택된 적어도 하나 이상과 탄소섬유를 포함하는 것일 수 있다.
전도성 필러는 탄소섬유, CNT, 카본블랙, 실버 나노와이어 및 그래핀 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 매트릭스 수지는 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylene sulfide), 폴리아미드(Poly amide) 및 폴리에테르에테르케톤(Poly ether ether ketone) 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
바람직하게는, CFRP 하우징용 패널은 인장강도가 110 내지 280MPa인 것일 수 있다.
바람직하게는, CFRP 하우징용 패널은 파단신율이 1.4% 내지 2.8%인 것일 수 있다.
바람직하게는, CFRP 하우징용 패널은 1t(mm) 두께일 때 하기 수학식 1에 따른 전자파 차폐성이 20dB 내지 50dB인 것일 수 있다.
(수학식 1)
전자파 차폐성(dB)=-20log(1-전자파 차폐율(%))
바람직하게는, CFRP 하우징용 패널은 매트릭스 수지 100 중량부에 대해 전도성 필러 10 내지 30 중량부를 포함하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 전도성 필러의 직경은 10nm 내지 8㎛이고, 길이는 5 내지 8mm인 것일 수 있다.
바람직하게는, CFRP 하우징용 패널은 밀도가 1.18 내지 1.51 g/cm3이고, 굴곡강도가 156 내지 400 MPa이며, 굴곡강성이 8.2 내지 21GPa인 것일 수 있다.
또한, 상기 목적은, 상술한 CFRP 하우징용 패널로 형성되며, CFRP 하우징용 패널은 상부에 위치한 두껑 및 두껑과 결합되는 몸체부를 구비하며. 두껑 안쪽과 몸체부 바닥 내부에 리브를 구비한 CFRP 하우징에 의해 달성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 CFRP 하우징용 패널은 방열에 충분한 열전도성과 전자파 차폐 성능을 동시에 발현하며, 자동차 전장장비의 하우징용 패널로 사용되기에 충분한 기계적, 열적 강도를 가져, 차체 경량화 소재로 사용될 수 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 상충되는 경우, 정의를 포함하는 본 명세서가 우선할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명되는 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 적합한 방법 및 재료가 본 명세서에 기재된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 CFRP 하우징용 패널은 매트릭스 수지와 전도성 필러를 포함한다.
일 실시예에서, 매트릭스 수지는 열가소성 플라스틱 수지를 포함하는 것으로, 매트릭스 수지는 폴리페닐렌설파이드계(PPS), 폴리아미드계(PA) 및 폴리에테르에테르케톤계(PEEK) 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 폴리페닐렌설파이드계(PPS)는 흡수율이 0에 가까워 치수안정성이 뛰어나고, 용융점도가 우수해 높은 치수안정성이 요구되는 정밀부품에 주로 사용되며, 유리전이온도(Tg)가 높아 연속사용온도가 높고, 난연특성을 갖는 설파이드(sulfide)가 포함되기 때문에 자기소화성을 가져 자동차산업 및 전기전자 산업에서 내열성을 필요로 하는 부품에 난연부품으로 사용되는 특징을 가진다.
일 실시예에서, 전도성 필러는 탄소섬유를 포함하며, CNT, 카본블랙, 실버 나노와이어 및 그래핀 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 탄소섬유와 함께 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 전도성 필러 중 탄소섬유는 평균 섬유장(섬유길이)이 5 내지 8mm인 것이 바람직하다. 이때, 탄소섬유의 평균 섬유장이 5mm 미만인 경우 기계적 물성이 저하되고, 8mm를 초과하는 경우 열가소성 수지 내에서 탄소섬유의 분산이 제대로 이루어지지 않아 제품의 성형성이 낮아지는 문제가 발생한다.
또한, 전도성 필러는 직경이 10nm 내지 8㎛인 것이 바람직하다.
이외에, 카본블랙은 구형의 입자 형상인 것이 바람직하며, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙 등과 같은 일반적으로 상업화된 제품은 제한 없이 사용이 가능하다. 그리고 그래핀은 탄소 기반의 흑연(Graphite)을 원료로 한 것으로, 그래핀나노플레이트(Graphene Nano Plate, GNP)에 카르복실기(-COOH)를 화학적으로 결합시킨 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 CFRP 하우징용 패널은 매트릭스 수지 100 중량부에 대해 전도성 필러 10 내지 30 중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 전도성 필러는 상술한 함량을 통해 90%이상의 전자파 차폐 효율, 우수한 기계적 물성 및 성형성을 얻을 수 있다. 만일 전도성 필러의 함량이 10 중량부 미만일 경우 전자파 차폐 성능의 극심한 저하를 야기하며, 30 중량부 초과인 경우 제품 성형 시 매트릭스 수지 대비 필러의 부피분율이 커져 성형성이 떨어지는 문제를 가진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 CFRP 하우징용 패널은 매트릭스 수지 및 전도성 필러 이외에 다양한 첨가제를 추가적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 첨가제로 분산제, 난연제, 가소제, 산화방지제 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 이때, 첨가제의 함량은 CFRP 하우징용 패널의 용도 및 목적에 따라 요구되는 물성을 고려하여 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 CFRP 하우징용 패널은 인장강도가 110 내지 280MPa인 것이 바람직하다. 이때, 인장강도가 110MPa 미만인 경우 기계적 물성이 낮아 하우징용 패널에 적용되기 어렵고, 280MPa 초과인 경우 보강필러의 과다 첨가에 기인한 불필요한 물성(오버 스펙)으로 가격 경쟁력을 잃는 문제를 가진다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 CFRP 하우징용 패널은 파단신율이 1.4% 내지 2.8%인 것이 바람직하다. 이때, 파단신율이 1.4% 미만인 경우 제품이 취성이 강해(브리틀)하여 쉽게 파손될 우려가 있고 2.8% 초과인 경우 제품의 강성이 저하되는 문제를 가진다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 CFRP 하우징용 패널은 1t(mm) 두께일 때 수학식 1에 따른 전자파 차폐성이 20 내지 50dB인 것이 바람직하다.
(수학식 1)
전자파 차폐성(dB)=-20log(1-전자파 차폐율(%))
이때, 전자파 차폐성이 20dB 미만인 경우 전자파 차폐율이 90% 미만으로 전자파 차폐 재료로 사용되기 어렵다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 CFRP 하우징용 패널은 밀도가 1.18 내지 1.51 g/cm3이고, 굴곡강도가 156 내지 400 MPa이며, 굴곡강성이 8.2 내지 21 GPa를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 CFRP 하우징용 패널은 매트릭스 수지에 전도성 필러를 분산 및 혼합한 후 압출성형법을 통해 제조하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 CFRP 하우징용 패널은 CFRP 하우징으로 사용되어, 높은 전자파 차폐 성능과 방열 성능을 가지면서도 기계적 물성이 우수하고 경량화를 가능하게 한다. 이와 같은 CFRP 하우징은 상술한 CFRP 하우징용 패널로 형성되며, CFRP 하우징용 패널은 상부에 위치한 두껑 및 두껑과 결합되는 몸체부를 구비하고. 두껑 안쪽과 몸체부 바닥 내부에 리브를 구비하는 것이 바람직하다.
전자파 차폐 및 방열 성능을 갖는 CFRP 하우징용 패널의 제조에 있어서, CFRP 하우징용 패널은 압출성형법에 의해 제조되며 하기 실시예에서 자세히 설명한다. 특히, 타겟 패널의 두께, 형상, 요구물성에 따라 금형을 선택하고, CFRP 하우징용 패널을 제조하기 위한 수지 조성물을 이용하여 통상의 사출성형법으로 CFRP 하우징용 패널을 제조할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 본 실시예는 본 설명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
[실시예 1]
폴리아미드(PA6) 100 중량부 대비 탄소섬유 함량 10 중량부를 혼합하였다. PA6는 TORAY사의 CM1007, 탄소섬유는 TORAYCA T700 탄소섬유(단섬유)를 사용하였다. 이때, PA6는 사용 전 90℃에서 4시간 건조하였고, 탄소섬유는 초퍼(Chopper)를 이용하여 6mm 길이로 초핑(Chopping) 하였다. 압출기 실린더를 275℃로 가열한 후, 호퍼에 상술한 폴리아미드 및 탄소섬유의 혼합물을 투입하였다. 다음으로, 압출기 내부 스크류에서 PA6와 탄소섬유를 용융 믹싱하여 CFRP/나일론 수지 조성물을 제조하였다. 다음으로, 제조된 CFRP/나일론 수지 조성물을 핫 프레스(Hot press)를 이용하여 평판 형태의 CFRP 하우징용 패널로 제조하였다.
[실시예 2]
폴리아미드(PA6) 100 중량부 대비 탄소섬유 20중량부를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 CFRP 하우징용 패널을 제조하였다.
[실시예 3]
폴리아미드(PA6) 100 중량부 대비 탄소섬유 30중량부를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 CFRP 하우징용 패널을 제조하였다.
[실시예 4]
폴리아미드(PA6) 100 중량부 대비 탄소섬유 함량 30중량부가 포함된 장섬유 강화 열가소성수지(LFT) 펠렛 TLP 1060(TORAY社)을 사용하였으며, 장섬유 강화 열가소성 수지(LFT) 펠렛을 사용함에 따라 실시예 1의 압출기 실린더에서 수지와 탄소섬유를 믹싱하는 과정을 생략하고 핫 프레스를 이용하여 평판 형태의 CFRP 하우징용 패널로 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 CFRP 하우징용 패널을 제조하였다.
[실시예 5]
폴리아미드(PA6) 대신 폴리페닐렌 설파이드(PPS) 수지(TORAY社)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 CFRP 하우징용 패널을 제조하였다.
[비교예]
[비교예 1]
탄소섬유를 사용하지 않고 폴리아미드(CM1007)만을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 CFRP 하우징용 패널을 제조하였다.
[ 비교예 2]
폴리아미드(PA6) 100 중량부 대비 탄소섬유 31중량부를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 CFRP 하우징용 패널을 제조하였다.
[비교예 3]
폴리아미드(PA6) 100 중량부 대비 탄소섬유 9중량부를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 CFRP 하우징용 패널을 제조하였다.
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 CFRP 하우징용 패널에 대하여, 하기 실험예를 통해 물성을 평가하여, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
[실험예]
(1) 밀도 측정
KS M ISO 1183에 의거하여 밀도를 측정하였다.
(2) 인장강도 측정
ISO 527-1에 의거하여 인장강도를 측정하였다.
(3) 파단신율 측정
ISO 527-2에 의거하여 파단신율을 측정하였다.
(4) 굴곡강도 및 굴곡강성 측정
ISO 178에 의거하여 굴곡강도 및 굴곡강성을 측정하였다.
(5) 전자파 차폐성 측정
CFRP 하우징용 패널을 1t(mm) 두께의 시험편으로 제조하여 Advantest법에 의한 1GHz 주파수에서의 전자파 차폐율(%)을 측정하였으며, 하기 식 1을 통해 전자파 차폐성을 계산하였다.
(수학식 1)
전자파 차폐성(dB)=-20log(1-전자파 차폐율(%))
상기 실시예 및 비교예의 결과 데이터를 다음 표 1에 나타내었다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 비교예1 비교예2 비교예3
밀도
(g/cm3)		 1.18 1.23 1.27 1.26 1.51 1.13 1.26 1.51
인장강도
(MPa)		 175 223 240 280 110 80 285 108
파단신율(%) 2.8 2.1 1.6 1.4 1.5 3.5 1.3 1.5
굴곡강도
(MPa)		 235 310 335 400 156 110 405 155
굴곡강성
(GPa)		 8.2 13.8 19 21 9.4 2.8 22 9.2
전자파
차폐율
(%)		 93.9 98.2 99.6 99.7 92.1 - 99.73 89.6
전자파차폐성
(dB)		 24.29 34.89 47.96 50.00 20.2 - 51.1 19.7
표 1에 기재된 바와 같이, 본 발명의 구성을 만족하는 실시예 1 내지 5는 인장강도가 110~280MPa이면서 동시에 전자파 차폐성이 20~50dB인 것을 모두 만족하여 우수한 전자파 차폐성을 가지면서도 높은 기계적 물성을 가지는 것을 알 수 있다. 특히, 실시예 4는 실시예 1 내지 3과 비교하여 탄소섬유 촙과 매트릭스 수지의 분산이 균일하고 탄소섬유의 손상이 적어 더 높은 기계적 강도와 전자파 차폐 성능을 달성한 것을 알 수 있다.
반면에, 전도성 필러를 포함하지 않은 비교예 1은 기계적 물성이 매우 낮을 뿐 아니라 전자파 차폐성을 가지지 못한 것을 알 수 있습니다.
전도성 필러의 함량이 과도한 비교예 2는 인장강도 및 전자파 차폐성이 지나치게 높을 뿐 아니라 파단신율이 부족한 문제를 가진다.
전도성 필러의 함량이 부족한 비교예 3은 인장강도 및 전자파 차폐성 모두 낮은 문제를 가진다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 CFRP 하우징용 패널에서 전자파 차폐 특성은 두께에 큰 영향을 받는다. 예를 들어, 상술한 실시예 3의 조건에 시험편의 두께만 2t로 높여서 동일한 방법으로 전자파 차폐 성능을 테스트했을 시, 60dB의 차폐 성능이 나왔으며 이를 전자파 차폐율로 변환하면 99.9퍼센트 이상의 차폐율을 가진다.
또한, 전도성 필러의 함량에 따라, 전도성 필러를 포함하지 않은 종래의 패널(비교예 1)이 가지는 인장강도가 80MPa인 반면에, 전도성 필러 함량 30중량부에서 240MPa까지 상승(실시예 3)함을 알 수 있다. 이로부터, 전도성 필러를 사용하여 CFRP 하우징용 패널을 제조할 시 알루미늄과 철강재료를 대체할 수 있는 차체 경량화 소재로 사용하면서 동시에 높은 전자파 차폐율을 달성할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (10)

  1. 열가소성 플라스틱 수지를 포함하는 매트릭스 수지; 및
    전도성 필러;
    를 포함하는, CFRP 하우징용 패널.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 필러는 CNT, 카본블랙, 실버 나노와이어 및 그래핀 중에서 선택된 적어도 하나 이상과 탄소섬유를 포함하는, CFRP 하우징용 패널.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 매트릭스 수지는 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylene sulfide), 폴리아미드(Poly amide) 및 폴리에테르에테르케톤(Poly ether ether ketone) 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는, CFRP 하우징용 패널.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 CFRP 하우징용 패널은 인장강도가 110 내지 280MPa인, CFRP 하우징용 패널.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 CFRP 하우징용 패널은 파단신율이 1.4% 내지 2.8%인, CFRP 하우징용 패널.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 CFRP 하우징용 패널은 1t(mm) 두께일 때 하기 수학식 1에 따른 전자파 차폐성이 20dB 내지 50dB인, CFRP 하우징용 패널.
    (수학식 1)
    전자파 차폐성(dB)=-20log(1-전자파 차폐율(%))
  7. 제1항에 있어서,
    상기 CFRP 하우징용 패널은 상기 매트릭스 수지 100 중량부에 대해 상기 전도성 필러 10 내지 30 중량부를 포함하는, CFRP 하우징용 패널.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 필러의 직경은 10nm 내지 8㎛이고, 길이는 5 내지 8mm인, CFRP 하우징용 패널.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 CFRP 하우징용 패널은 밀도가 1.18 내지 1.51 g/cm3이고, 굴곡강도가 156 내지 400 MPa이며, 굴곡강성이 8.2 내지 21GPa인, CFRP 하우징용 패널.
  10. 제1항에 기재된 CFRP 하우징용 패널로 형성되며,
    상기 CFRP 하우징용 패널은 상부에 위치한 두껑; 및
    상기 두껑과 결합되는 몸체부;
    를 구비하며.
    상기 두껑 안쪽과 상기 몸체부 바닥 내부에 리브를 구비한, CFRP 하우징.
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